tubulações industriais - golpe de aríete

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tubulações industriais - tubulações hidráulicas - problemática do golpe de aríete - estudo sobre o golpe de aríete, causas e efeitos

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tig 1/2015

Tubulaes IndustriaisTubulao hidrulicaDiego Ribeiro dos Santos; Hilgner Rapilly Trindade de Sousa; Jonathan Santana Barroso; Luiz Flvio Silva Ferreira; Roney Francisco Ferreira; Mateus Lopes Canado; Nicholas Amaro Miranda;Edson Almeida Junior (orientador);Centro Universitrio de Belo Horizonte, Belo Horizonte, MG [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected];

Resumo: Esse trabalho tem por objetivo analisar, descrever e elaborar uma soluo para um problema encontrado em tubulaes industriais, focado em tubulaes hidrulicas com a problemtica centrada no golpe de aretePalavras-chave: TUBULAES, INDUSTRIAL, HIDRULICA.

ABSTRACT: This study aims to analyze, describe and elaborate a solution paragraph hum Encountering Industrial pipes, focused on Hydraulic pipes with a problematic centered on water hammerKEYWORDS : PIPES , industrial, HYDRAULIC .

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1. INTRODUOO estudo deste trabalho uma pesquisa sobre as tubulaes industriais e no estudo de uma problemtica que ocorre nesse sistema e buscar uma possvel forma de evitar tal problema. O golpe de arete (tambm conhecido na literatura inglesa pelo nome de "water hammer" i.e "martelo de gua") um distrbio que consiste em fortes oscilaes de presso, normalmente disparadas por mudanas bruscas na velocidade de escoamento de um fluido dentro de um encanamento. (MECATRONICA ATUAL, 2015)2. PROBLEMA DE PESQUISATubulao um conjunto de tubos e acessrios voltados ao processo industrial, principalmente para distribuio de gases e lquidos. (METALICA, 2015)Os surtos de presso sucessivos causadas por um golpe de arete costumam alcanar valores muitas vezes superiores presso normal de trabalho e, alm disto, so de natureza vibratria, o que aumenta o seu poder destrutivo. (MECATRONICA ATUAL, 2015)

2.1 Contextualizaes do problema

O golpe de arete trata-se de uma forte trepidao e/ou pancada devido a variao de presso que acomete o sistema hidrulico sempre que uma sada fechada. (FUNORTE, Junho de 2010)O golpe de arete pode ser algo difcil de se controlar por ser imprevisvel o seu acontecimento. Mesmo caso ocorre em baixa frequncia o seu impacto pode causar danos muito caros. (MECATRONICA ATUAL, 2015)Existem vrios meios de se controlar o golpe de arete, porem apesar de muitos desses meios serem bons e at baratos, ainda no so totalmente capazes de evitar o golpe na tubulao, todos ainda possuem vrias falhas que ainda podem deixar causar o golpe arete danificando a estrutura. (MECATRONICA ATUAL, 2014)3. OBJETIVOS3.1 Objetivo GeralPesquisar o melhor meio de proteo para o sistema de tubulao hidrulica contra o golpe de arete.3.2 Objetivos Especficos Pesquisar as principais causas do problema Estudar os modos de proteo contra o problema apresentado Buscar um meio de solucionar o problema encontrado

4. JUSTIFICATIVAA relevncia deste estudo se justifica pelos seguintes motivos:

Diminuir os gastos com manuteno e tempo perdido na proteo das tubulaes Criar um sistema capaz de controlar o golpe de arete Buscar evitar falhas e o contragolpe Buscar o melhor custo benefcio.

5. REFERENCIAL TERICO5.1. Tubulaes Industriais

Tubulao um conjunto de tubos e acessrios voltados ao processo industrial, principalmente para distribuio de gases e lquidos. As tubulaes industriais so divididas em 2 tipos, as internas e externas, e essas so divididas em vrios outros tipos de tubulaes como mostra a figura 1. (METALICA, 2015)Figura 1 - classificao das tubulaes industriais Fonte: (www.metalica.com.br, acesso 2015)

Exemplos de instalaes industriais mostrados nas figuras 2 e 3.

Figura 2 - exemplo de tubulao industrial interna. Fonte: (www.famti.com.br , acesso 2015)

Figura 3 - exemplo de tubulao industrial externa. Fonte: (engenhariarj.blogspot.com.br, acesso 2015)

5.2. Tubulao Industrial Hidrulica

As tubulaes hidrulicas so aquelas que se utilizam para transportar lquidos, fazer drenagens e tambm para rede de distribuio. Essas tubulaes so muito encontradas dentro e tambm fora da fbrica, ou seja, nos dois tipos de tubulaes industriais, a hidrulica pode se encaixar nos dois tipos. (METALICA, 2015)

A tubulao hidrulica no formada basicamente por tubos, mas conta com uma grande variedade de peas, como vlvulas, bombas, medidores de presso, registros, entre outros. (Ver figuras 4 e 5).

Figura 4 - instalao hidrulica interna. Fonte: (www.moinhopiramide.com.br , acesso 2015)

Figura 5 - exemplo de tubulao hidrulica e suas vlvulas Fonte: (http://www.lordconstrucoes.com , acesso 2015)

5.3 Golpe de Arete

O golpe de arete recebe esse nome devido a uma arma da era medieval usada para se derrubar portas e paredes das fortalezas existentes. (Ver figura 6);

Figura 6 - arete usado na era medieval Fonte: (Funorte, junho de 2010)

Essa arma era utilizada por vrios homens para se criar uma entrada na fortaleza e assim poder invadi-la. Hoje ainda se usa tal arma porem em menor tamanho e geralmente para servios militares e policiais. (Ver figura 7).

Figura 7 arete militar. Fonte: (www.sossuldefender.com.br , acesso 2015)

As causas do golpe de arete podem ser derivadas de vrios fatores, mas alguns so mais comuns como:

Quando uma sada fechada e o fluxo interrompido o fluido tende a refluir para dentro da tubulao. Quando h uma queda de energia e a bomba condutora do fluido desligada e inesperadamente religada a presso do fluido pode causar um impacto nas divisrias das tubulaes Quando h um desgaste da estrutura da tubulao, o aumento da presso. (MECATRONICA ATUAL, 2015).

Ou seja, o golpe de arete sempre resultado de uma variao de presso dentro da tubulao causado por meios externos ou no, e suas consequncias pode levar a perda total da tubulao e seus equipamentos. (MECATRONICA ATUAL, 2015)

6. MEIOS DE EVITAR O GOLPE DE ARETE

6.1 Vlvulas6.1.1 Vlvulas de alvio de presso

So vlvulas que operam quando a presso ultrapassa um limite pr-estabelecido, aliviando o surto de presso. (SIPEC, 2015)Porm esse tipo de vlvula pode ser de pouca utilidade, pois sendo a celeridade normalmente muito alta (da ordem de 1200 m/s ou 4320 km/h para a gua), pode acontecer que o pico de presso do golpe de arete ocorra antes da vlvula ter tempo de operar. (SIPEC, acesso 2015).Podem ser ativadas por apenas uma mola ou por sensores de presso. (Figura 8).

Figura 8 - vlvulas de alivio de presso Fonte: (www.sipec.com.br, acesso 2015)

6.1.2 Vlvulas tipo ventosa

Vlvulas tipo ventosa (figura 9), so instaladas jusante de uma vlvula de fechamento rpido, onde, ao contrrio do que acontece montante, a presso cai subitamente. Quando a presso na tubulao cai abaixo da atmosfrica, estas vlvulas deixam entrar ar ou lquido sob presso, evitando a formao de vcuo ou bolhas de vapor e o consequente aparecimento de um golpe de arete de "retorno", ou at mesmo um colapso (imploso) da tubulao. (MECATRONICA ATUAL, 2015).

Figura 9 - Vlvula tipo ventosa. Fonte: (www.valloy.com.br, acesso 2015)

6.2 Volantes de Inrcia

Os volantes de inrcia (figura 10) so dispositivos que atuam na proteo contra as depresses, devido influncia do tempo de parada no golpe de arete. Ao se incorporar um volante ao grupo moto bomba, sua inrcia retardar a perda de rotaes, aumentando o tempo de parada do conjunto e, consequentemente, diminuir a intensidade do golpe. Devido diminuio da depresso mxima, somente de forma indireta as sobre presses sero atenuadas com estes dispositivos. (MECATRONICA ATUAL, 2015)Quanto utilizao deste dispositivo de proteo, importante ressaltar que o acoplamento devolantesa grupos moto bomba, apesar da aparente simplicidade, introduz uma questo de ordem eletromecnica, pois quanto mais seu peso aumenta, mais potente dever ser o motor para vencer a inrcia do volante na partida e maior ser a intensidade de corrente eltrica, elevando os custos de investimento e operao. Portanto, este tipo de proteo fica bastante limitado na prtica, podendo, eventualmente, o uso de ventosas, por exemplo, eliminar o vcuo com um custo significativamente inferior. (MECATRONICA ATUAL, 2015)Figura 10 - volante de inercia Fonte: (www.eoi.es, site removido, imagem encontrada no google imagens)

6.3 Reservatrios hidropneumticos

Osreservatrios hidropneumticos ou tanques hidropneumticos (figura 11)utilizados normalmente em tubulaes hidrulicas decorrentes da variao de vazo. Os tanques hidropneumticosatuam como amortecedores de golpes que podem ocorrer devido ao fechamento ou abertura de vlvulas, falhas mecnicas de dispositivos, parada de turbinas ou bombas alm de outros tipos de causas. (ABERKO, 2015)Ostanques hidropneumticostambm so utilizados no sistema de combate a incndios com uma reserva grande de gua disponvel para utilizao imediata em uma situao de incndio ou emergncia. (ABERKO, 2015)

Figura 11 tanque hidropneumtico. Fonte: (www.vasosdepressao.com.br, acesso 2015)

6.4 Amortecedores ou supressores de membrana flexvel

Este tipo de supressor pode ser encontrado numa ampla faixa de aplicaes, desde usinas nucleares e carros de Frmula 1 at o novo e gigantesco avio Airbus A 380. Porm, a sua aplicao mais frequente sem dvida nas instalaes industriais. (MECATRONICA ATUAL, 2015)Este supressor consiste num recipiente reforado que contm na sua parte superior ar ou gs (normalmente nitrognio) sob presso, separado do lquido por uma membrana flexvel (figura 12). (MECATRONICA ATUAL, 2015)

Figura 12 Supressor de membrana flexvel Fonte: (www.mecatronicaatual.com.br, acesso 2015)Geralmente este recipiente dotado de uma vlvula de um tipo parecido com as usadas em pneus de automvel, que permite a verificao da presso e, se necessrio, da reposio do ar ou gs. (MECATRONICA ATUAL, 2015)A presso do gs ajustada de modo que este ocupe quase todo o volume do recipiente, porm deixando um pouco de espao para o lquido. (MECATRONICA ATUAL, 2015)Em caso de um aumento sbito de presso no lquido, a membrana deforma-se comprimindo o ar ou gs na cmara. O lquido ganha assim espao para se expandir, o que minimiza o surto de presso. O corpo do supressor normalmente confeccionado de ao-carbono ou ao inoxidvel. J as membranas podem ser de vrios materiais como, por exemplo, Neoprene, Viton, Hypalon, Teflon etc. (MECATRONICA ATUAL, 2015)H outros tipos de supressores, mas todos fazem o mesmo trabalho do supressor de membrana flexvel. O que os diferenciam so apenas os mecanismos que substituem a membrana flexvel. Exemplos: supressor do tipo fole (figura 13), supressor do tipo embolo (figura 14) e supressor do tipo embolo com mola (figura 15)

Figura 13 - Supressor tipo fole Fonte: (www.mecanicaatual.com.br, acesso 2015)

Figura 14 - Supressor tipo embolo Fonte: (www.mecatronicaatual.com.br, acesso 2015)

Figura 15 - Supressor tipo embolo com mola. Fonte: (www.mecatronicaatual.com.br, acesso 2015)

7. CLCULOS ENVOLVIDOS

Para o clculo do golpe de arete, baseada inicialmente com o clculo de velocidade de propagao da onda, geralmente denominada de celeridade. A celeridade pode ser calculada pela equao de Allievi,(NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

Equao 1

Onde: C = Celeridade da onda (m/s);D = Dimetro interno da tubulao (m);e = Espessura da parede da tubulao (m);K = Mdulo de elasticidade do material da tubulao (E);

A constante K pode ser dada pela expresso abaixo e seus valores geralmente j so preestabelecidos, K =

Para tubos de ao, K=0,5;Para tubos de ferro fundido, K=1;Para tubos de concreto, K=5;Para tubos de cimento e amianto, K=4,4;Para tubos de plsticos, K=18;

No caso de tubos de concreto armado, tomando-se K=5, considera-se uma espessura representativa para os tubos, obtida pela expresso: (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

Em que:

= espessura media distribuda dos ferros;e = espessura representativa;

= espessura do tubo;m = coeficiente pratico, (valor aproximado = 10)

Para tubulaes indeformveis, E=, resultando C= 1425 m/s, que a velocidade de propagao do som na gua. (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)Aps o clculo da celeridade, denomina-se a fase ou perodo da canalizao o tempo que a onda de sobre presso leva para ir e voltar de uma extremidade outra da tubulao. Para isso se utiliza a equao 2. (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

Equao 2

Sendo:L = comprimento da tubulao,C = celeridade,

Caso a fase ou perodo de canalizao for maior que o tempo de fechamento da vlvula pode se afirmar que um tipo de manobra rpida, ou seja, o fechamento da vlvula acontecera antes da atuao da onda, caso contrrio denomina-se manobra lenta, assim haver tempo para atuar a onda de presso ante da obturao completa do sistema. A sobre presso mxima ocorre quando a manobra rpida. (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

Com o fechamento rpido das vlvulas, tem se a sobre presso que calculada a partir da equao 3;

Equao 3

sendo:

v = velocidade mdia do fluido

= aumento da presso em mcaC = celeridadeg = gravidade

Para o fechamento lento, utiliza-se a Frmula de Michaud, Vensano, pode se aplicar a frmula aproximada de Michaud, que considera a proporcionalidade da velocidade com /t, como mostra a equao 3. (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

Equao 4

Onde:V = velocidade mdia da gua, (m/s);

= sobre presso ou acrscimo de presso, (mca);C = celeridade, (m/s);t = tempo de manobra, (s);

= fase (2L/C), (s);

A frmula de Michaud tambm pode ser aplicada para a determinao do tempo de fechamento a ser adotado, a fim de que a sobre presso no ultrapasse determinado limite preestabelecido.A formula de Michaud leva a valores superiores aos verificados experimentalmente. Contudo, ainda vem sendo aplicada na pratica por estar do lado da segurana, sobretudo para instalaes de pequena importncia. Para instalaes de grande porte o estudo deve ser aprofundado. (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

7.1. Outras frmulas e teorias

Diversas formulas e teorias tm sido aplicadas ao longo dos anos sobre a estimativa do golpe de arete. Esse fenmeno por ser muito complexo envolve no seu estudo muitas condies e inmeras variveis. Com a finalidade de facilitar o seu estudo podem ser feitas algumas simplificaes que do origem a teorias ou expresses aproximadas. Abaixo segue algumas dessas teorias:

1- Teoria de Sparre

Equao 5

2- Teoria Inelstica (Johnson, et al.)

Equao 6

3- Teoria Elstica (Allievi, Gibson, Quick);

Figura 16 - (NETTO, Azevedo. 1998 8 ed)

8. CONCLUSO

O fenmeno de golpe de arete, com suas oscilaes fortes e cclicas de presso, pode causar danos a componentes de sistemas hidrulicos entre os quais esto includos os sensores de presso, vazo etc. Face crescente automao destes sistemas, importante que os profissionais da rea possuam noes bsicas sobre as causas e consequncias deste fenmeno e sobre as medidas de proteo cabveis.A utilizao de vlvulas e sensores para evitar o golpe de arete uma boa soluo para se evitar o problema, porm necessria uma rotina de observaes desses mecanismos, pois at os mesmos podem ser danificados pelo golpe de arete.Porem com a utilizao das formulas encontradas para a medida de presso na tubulao pode se ter uma noo da presso mxima causada pelo golpe de arete na tubulao, dessa forma pode se planejar uma estrutura de todo o sistema da tubulao para que se possa suportar tal presso atingida.

9. REFERNCIAS

Sites:

ABERKO, www.vasosdepressao.com.br, acesso 2015, Aberko Equipamentos Industriais, Tanques Hidropneumticos

ENGENHARIA RJ, engenhariarj.blogspot.com.br, acesso em 2015, Tubulaes Industriais;MOINHO PIRAMIDES, www.moinhopiramide.com.br, acesso em 2015, Moinho Pirmides Equipamentos e Solues Industriais; Tubulaes Industriais

FANTI, www.montagemindustrialfamti.com.br, acesso em 2015, Fanti (fabricao e montagem tcnica industrial);

LORD CONSTRUOES, www.lordconstrucoes.com, acesso em 2015, Servios e Tubulaes industriais;

MECATRONICA ATUAL, www.mecatronicaatual.com.br, acesso em 2015, Golpe de arete em sistemas hidrulicos, 08/04/2014;

METALICA, www.metalica.com.br, acesso em 2015, tubulaes industriais;

SOS SUL DEFENDER, www.sossuldefender.com.br, acesso em 2015, Equipamentos militares, arete tactical;

Artigos:

CAMARGO, Luiz A. O Golpe de Arete em tubulaes de recalque, Anlise simplificada. Trabalho apresentado no XV Encontro de Engenheiro de Assistncia Tcnica. TUBOS E CONEXES TIGRE S.A. ; Joinville/SC 23 a 27 de outubro de 1989, 33 pginas.

FUNORTE, prof.: Pedro Almeida, alunos: Alanderson, Bruno, Fernando Guilherme, Joo Jr, Luiz Gustavo, Tiago Salomo e Wesley Thales; Funorte-Faculdades Integradas do Norte de Minas, curso de graduao em Engenharia Civil, 5 perodo noturno; Golpe de Arete, Montes Claros Junho de 2010; 16 pginas.

MENDES, Lus Felipe Martins; Mtodos Clssicos de Proteco de Sistemas Elevatrios Contra o Golpe de Arete, Dissertao para obteno do Grau Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitria. Faculdade de Cincias e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa, setembro de 2011, 119 pginas.

SOARES, Homero, Hidrulica Geral (ESA024A); UFJF (Universidade federal de Juiz de Fora); Faculdade de Engenharia, Departamento de Engenharia Sanitria e Ambiental, 2 semestre de 2011, 13 pginas.

Livros

NETTO, Azevedo; Manual de hidrulica. Miguel Fernandez y Fernandez, Roberto de Araujo, Accio Eiji Ito. 8 edio(edio atualizada), 1998. 669 pginas